[发明专利]一种高强度高韧性齿轮钢及其制造方法

说明书

技术领域

本发明属于工程材料中钢铁材料，主要涉及一种高强度兼具有高韧性齿轮钢及其制造方法。

背景技术

齿轮是航空发动机及其他机械装备的最重要结构部件之一。随着设计的进步和传递能量及速度的增大，齿轮啮合表面温度也随之升高。目前，直升机主齿轮输出速度达到25000rpm以上，涡轮轴发动机功率不断提高，涡喷发动机的推重比不断增加，齿轮啮合表面温度已达到350℃乃至更高。由于齿轮是一种在复杂苛刻环境中服役的构件，为保证飞机的安全性，研究与发展高性能齿轮钢已成为航空技术的重要组成部分。

在齿轮钢技术发展中高纯洁度熔炼和大锻造比成形技术对强韧性提高具有重大作用。通过双真空熔炼及大锻造比成形技术，可以提高纯净度，降低偏析、碳化物尺寸、夹杂物尺寸和改变其类型。与普通熔炼和锻造工艺相比，强韧性可以明显改善，材料抗疲劳寿命可以提高几十倍。

以往18CrNi4A、16CrNi3MoA等航空齿轮钢大都采用电弧炉+电渣的方法冶炼，纯度低、寿命短。近年来，虽然也开始采用双真空熔炼工艺，材料的纯度大幅度提高，但以上钢种由于受强韧性的限制，只能用于制造13吨以下的直升机传动齿轮。对于13吨以上的重型直升机，由于发动机功率的提高，对齿轮的强度和韧性指标提出了更高要求。

针对上述要求，中国专利CN102703834公开了一种晶粒细化的齿轮钢及其生产工艺，该齿轮钢的Ni含量较低，未添加V，采用电弧炉+LF+VD→连铸→轧制工艺生产，钢的抗拉强度Rm最高达1160Mpa，冲击韧性Aku最高达75J，但是强韧性较低；中国专利CN102080188公开了一种CrNiMo系易切削齿轮钢及其制造方法，该发明的钢的Cr、Ni含量较低，未添加V、Nb，采用电弧炉(或转炉)+LF+VD(或RH)→连铸→轧制工艺生产，钢的抗拉强度Rm最高达1190Mpa，冲击韧性Aku最高达123J，虽然韧性指标达到设计要求，但强度指标偏低；日本专利JP4083848发明的钢虽然添加了Ni和细晶强化元素Nb，也达到较高的冲击韧性，其是含有较高的Mo和相对低的Cr，强度指标偏低。

发明内容

本发明的目的是设计一种高强度高韧性齿轮钢及其制造方法。通过采用双真空熔炼、大锻造比成形技术，使钢获得高纯度和优良的强韧性配合。能满足今后高强度高韧性齿轮钢的应用研究奠定坚实的基础，对推动我国齿轮钢向高性能长寿命发展具有重要意义。

本发明提出了一种新型高强度高韧性齿轮钢(Rm≥1280MPa，Akv≥98J)。通过成分设计，双真空熔炼工艺及热加工工艺技术研究，研制出满足重型直升机传动用高性能齿轮钢。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种高强度高韧性齿轮钢，所述钢的成分由以下列元素组成，以质量百分含量计：C0.14～0.22％，Si0.15～0.35％，Mn0.45～0.75％，Cr1.00～1.35％，Ni2.80～3.20％，Mo0.15～0.35％，V0.08～0.15％，Nb0.08～0.15％，N≤0.002％；O≤0.0015％，余量为Fe和不可避免的杂质元素，所述杂质元素的总量低于0.05wt％。

本发明钢选择化学成分范围的原因如下：

C是保证钢室温强度和淬透性所必需的成分。碳含量低于0.14％时淬透性和强度不够，高于0.25％则韧性变坏。齿轮钢的心部强度和韧性直接影响其使用寿命，为了保证心部具有必要的强度和韧性，优选C含量为0.14～0.22％。

Si可强烈提高渗层的淬透性，抑制非马氏体组织的产生。但由于它与氧的亲和力比Cr和Mn高10倍，而容易产生渗层氧化缺陷。故Si含量控制在0.35％以下。

Mn：能增加奥氏体的稳定性，降低Ms点，提高淬透性，同时，它能减轻渗碳层中碳化物的聚集，防止出现大块状碳化物。Mn含量低于0.40％时，作用不明显，高于0.80％以上，晶粒容易粗化，优选控制在0.45～0.75％。

Cr：强烈提高淬透性并可形成微细的硬化质点而增加耐磨性。Cr含量低于1.00％时，淬透性不足，高于1.40％，容易形成大颗粒状碳化物，降低韧性。优选控制在1.00～1.35％。

Ni：可增强基体交叉滑移能力，降低冷脆转变温度，提高韧性。还可使渗碳钢获得碳梯度小，有一定韧性的表层。Ni低于2.80％对韧性的改善不明显，Ni含量过高，成本明显增加。本发明选择2.80～3.20％范围。

Mo可提高表层硬度并增大有效硬化层深度。Mo含量的提高可明显提高冲击断裂强度。本发明选择Mo含量为0.15～0.35％。